JP2019163842A - 軸受支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】内輪が周方向に分割された転がり軸受によって軸部材を回転支持する軸受支持構造において、軸部材に対する内輪の回動を防止する。【解決手段】軸部材３０は、転がり軸受１０が外嵌される嵌合部３２を有しており、嵌合部３２は、中心軸ｍと直交する向きの断面が非真円形状である。転がり軸受１０は、周方向で二分割された内輪１３と、周方向で二分割されて内輪１３の径方向外方に固定された外輪１１と、複数の転動体１５と、を備えている。内輪１３の内周は、嵌合部３２の外周に対応する形状で、中心軸ｍと直交する向きの断面が非真円形状であり、内輪１３の径方向の変位が制限されることによって、軸部材３０に対する内輪１３の回動が防止されている。【選択図】図３

Description

本発明は、内輪が周方向に二分割された転がり軸受に関する。

自動車等の車両や船外機などに使用される内燃機関のクランクシャフトは、従来、クランクジャーナルが滑り軸受によって支持されている。しかし、滑り軸受は、多量の潤滑油を供給する必要があり、専用の給油装置を必要とするので、車両の重量が増加する。そこで、近年、滑り軸受を転がり軸受に変更することによって給油装置を不要にして、車両を軽量化する取り組みが行われている。

クランクジャーナルは、クランクアームによって軸方向に挟まれた位置にある。このため、環状の転がり軸受をそのままの形で装着することができない。そこで、クランクシャフトを回転支持する転がり軸受には、周方向に二分割された分割型の転がり軸受が使用されている（特許文献１〜２参照）。分割された半円状の転がり軸受は、それぞれクランクジャーナルを挟んで径方向両側から装着された後、ハウジングの内側で一体として固定されている。

特許文献１や特許文献２に記載された転がり軸受では、内輪を備えておらず、転動体は、クランクジャーナルの外周面を軌道面として転動している。通常、転がり寿命を確保するために、転がり軸受の軌道面は、概ね６０ＨＲＣ以上の硬さが必要である。しかしながら、熱間鍛造で製造されるクランクシャフトは、その材料中の炭素量が０．３〜０．５％程度で比較的低く、クランクジャーナルの表面硬さを高くすることが困難である。
そこで、クランクジャーナルの外周に、周方向に二分割された内輪を組み込むことによって、転がり寿命を確保することが検討されている。

特開２００７−１３９１５３号公報 特開２０１２−２２５４２６号公報

周方向に二分割された転がり軸受では、内外輪の突合せ部では、軌道面に段差やすきまが生じる場合がある。このため、転動体が、当該突合せ部を通過するときに、異音を生じたり、衝撃により転がり寿命が低下する恐れがある。このため、分割型の転がり軸受を組付けるときには、内外輪の突合せ部の向きと、転がり軸受に作用する荷重の向きとが重ならないように組付ける必要がある。

しかしながら、内輪が周方向に分割されている場合には、仮に内輪の内径を軸の外径より小さくしたとしても、分割された内輪間にすきまが生じるに過ぎず、軸の外周に締りばめの状態で組み込むことができない。このため、使用中に内輪が回動して、内外輪の突合せ部の向きが、転がり軸受に作用する荷重の向きと重なる恐れがある。

図５に示すように、内輪５１が、クランクジャーナル５２の回りで回動するのを防止する手段としては、内輪５１とクランクジャーナル５２を径方向に貫通するピン５３を組み込んだり、内輪５１とクランクジャーナル５２との嵌め合い面にキー（図示を省略）を組み込んだりする方法が考えられる。しかし、クランクシャフトでは、強度を確保するため、キー溝やピン孔５４を大きくすることが困難である。又、小型のキーやピン５３を使用した場合には、キー溝やピン孔５４の接触面圧が高くなり、摩耗や変形が増大する恐れがある。更に、内燃機関では、軽量化の要請が強く、内輪５１の径方向の板厚が薄いので、ピン５３やキーが、内輪５１の外周に突出する場合があり、この場合には、内輪５１の軌道面５６が縮小し、転がり寿命が低下するという問題が生じる。

以上の状況に鑑み、本発明は、内輪が周方向に分割された転がり軸受によって、クランクシャフトなどの回転軸を支持する軸受支持構造において、ピンやキーなどの回り止め手段を用いることなく、回転軸に対する内輪の回動を防止することを目的としている。

本発明は、中心軸の周りで回転する軸部材が、周方向に二分割された転がり軸受で回転自在に支持された軸受支持構造であって、前記軸部材は、前記転がり軸受が外嵌される嵌合部を有しており、前記嵌合部は、前記中心軸と直交する向きの断面が非真円形状であり、前記転がり軸受は、周方向で二分割されて前記嵌合部に外嵌され、外周に内側軌道面を有する内輪と、周方向で二分割されて前記内輪の径方向外方に固定され、内周に前記内側軌道面と同軸の外側軌道面を有する外輪と、前記内側軌道面と前記外側軌道面の間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備えており、前記内輪の内周は、前記嵌合部の外周に対応する形状で、前記中心軸と直交する向きの断面が非真円形状であり、前記内輪の径方向の変位が制限されることによって、前記軸部材に対する前記内輪の回動が防止されていることを特徴としている。

本発明によると、内輪が周方向に分割された転がり軸受によって、クランクシャフトなどの回転軸を支持する軸受支持構造において、ピンやキーなどの回り止め手段を用いることなく、回転軸に対する内輪の回動を防止することができる。これにより、内輪の突合せ部の向きと転がり軸受に作用する荷重の向きとが重ならないように、内輪の組付け状態を維持できるので、長期にわたって異音の発生を防止し、良好な転がり寿命を確保できる。

第１実施形態の転がり軸受が組み込まれたクランクシャフトの軸方向断面図である。 クランクジャーナルの部分を拡大した軸方向断面図である。 中心軸と直交する向きのクランクジャーナルの断面図である。 内輪の回動を防止する作用効果を説明する説明図である。 図５（ａ）は、他の実施例のクランクジャーナルの部分の軸方向断面図で、図５（ｂ）は、中心軸と直交する向きの断面図である。 従来の回り止め手段を示す軸方向断面図である。

本発明にかかる転がり軸受の実施形態を、図によって詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態である転がり軸受１０が組み込まれたクランクシャフト３０（軸部材）の軸方向断面図である。クランクシャフト３０は、船外機や自動車等の内燃機関に組み込まれて、ピストン３１の往復運動を回転運動に変換する部品である。以下の説明では、クランクシャフト３０の中心軸ｍの方向を軸方向といい、中心軸ｍと直交する方向を径方向、中心軸ｍの回りを周回する方向を周方向という。

クランクシャフト３０は、炭素含有量が０．３〜０．５％程度の炭素鋼又は合金鋼を、熱間鍛造することによって製造されており、複数のクランクジャーナル３２（嵌合部）と、複数のクランクピン３３と、各クランクジャーナル３２と各クランクピン３３とをつなぐ複数のクランクアーム３４とが、一体に形成されている。図１のクランクシャフト３０では、軸方向の５か所にクランクジャーナル３２が形成されており、軸方向の４か所にクランクピン３３が形成されている。

図２、図３によって、クランクジャーナル３２の形態を説明する。各クランクジャーナル３２の形態はいずれも同様であるので、図１で、Ｊの符号を付したクランクジャーナル３２を例にして説明する。
図２は、外周に転がり軸受１０が組み込まれたクランクジャーナル３２の軸方向断面図である。図３は、図２のＹ−Ｙの位置における中心軸ｍと直交する向きの断面図である。

各クランクジャーナル３２は、柱状であり、中心軸ｍに沿って互いに同軸に形成されている。中心軸ｍと直交する向きの断面は、軸方向に一様で、楕円形状である。第１実施形態では、クランクジャーナル３２の外周面３６は、高周波焼入れ等によって硬度を高くした後、研削加工が施されている。
各クランクジャーナル３２の外周には、それぞれ転がり軸受１０が外嵌されており、クランクシャフト３０は、クランクジャーナル３２を軸として回転する。

再び、図１を参照する。各クランクピン３３は、円柱状で、クランクジャーナル３２から径方向に偏心した位置で、中心軸ｍと平行に設けられている。クランクピン３３の外周面は、高周波焼入れ等によって硬度を高くした後、研削加工が施されている。各クランクピン３３は、コンロッド４１を介してピストン３１と連結されている。

内燃機関では、ガソリン等の燃料が周期的に爆発燃焼することによって、ピストン３１が図１の上下方向に変位し、クランクピン３３がクランクジャーナル３２の周りで回転する。ピストン３１が上方に変位したときに燃料に点火されるので、クランクジャーナル３２に負荷される荷重は、燃料に点火した直後、すなわち、クランクピン３３が、クランクジャーナル３２の上方の位置を基準としてクランクシャフト３０の回転方向に所定の角度βだけ回転したときに、最も大きくなる。角度βは、概ね３０°程度（２０°＜β＜４０°）である。

次に、図２によって、転がり軸受１０の形態を説明する。転がり軸受１０は、針状ころ軸受であり、外輪１１と、内輪１３と、転動体としての複数の針状ころ１５と、保持器１６を備えている。外輪１１、内輪１３、及び、保持器１６は、それぞれ周方向に二分割されている。

外輪１１は、軸受鋼などの高炭素鋼で製造されている。周方向に二分割された外輪１１（以下の説明では、それぞれを「外輪片１１ａ」という場合がある）を組み合わせたときには、外周面１７は、単一の円筒面で形成されている。内周には、軸方向の中央に、全周にわたって外側軌道面１２が形成されるとともに、小径の鍔１８，１８が、外側軌道面１２の軸方向両外側に形成されている。外側軌道面１２は、外周面１７と同軸の円筒形状であって、針状ころ１５が転動する面である。
鍔１８，１８は、外側軌道面１２より径方向内方に突出しており、針状ころ１５は、鍔１８，１８に案内されて周方向に転動する。なお、針状ころ１５は、クランクアーム３４によって案内されて周方向に転動してもよい。この場合には、外輪１１に、鍔１８，１８を設ける必要がない。外周面１７及び外側軌道面１２は、外輪１１を焼入れした後、研削加工によって仕上げられている。

内輪１３は、軸受鋼などの高炭素鋼で製造されている。周方向に二分割された内輪１３（以下の説明では、それぞれを「内輪片１３ａ」という場合がある）を組み合わせたときには、全体として略円筒形状である。
内輪１３の外周には、軸方向中央に、全周にわたって内側軌道面１４が形成されている。内側軌道面１４は、針状ころ１５が転動する面であり、内輪片１３ａ，１３ａを組み合わせたときの内側軌道面１４は、単一の円筒面で形成されている。
内輪１３の内周は、クランクジャーナル３２の外周に対応する形状である。すなわち、内周面１９は、中心軸ｍと直交する向きの断面が、クランクジャーナル３２の中心軸ｍと直交する向きの断面と同一の楕円形状である。
内側軌道面１４及び内周面１９は、内輪１３を焼入れした後、研削加工によって仕上げられている。転がり軸受１０では、外輪１１が、内輪１３の径方向外方に、同軸に配置されている。

第１実施形態では、内輪１３は、径方向の厚さが最小となる位置で、中心軸ｍを含み径方向に延在する分割面２０で二分割されている。分割面２０の方向は、第１実施形態に限定されない。例えば、中心軸ｍを含み、第１実施形態の分割面２０と直交する向き（すなわち、径方向の厚さが最大となる向きである）の分割面であってもよい。

内輪１３の内周面１９と外周面２１は、軸方向両端部が、中心軸ｍと直交する平面からなる端面２２，２２でつながっている。両端面２２，２２間の軸方向の寸法は、クランクジャーナル３２の軸方向両側のクランクアーム３４，３４の軸方向の内幅より、わずかに小さい。

針状ころ１５は、直径に対して比較的、軸の方向に長い円柱状で、軸受鋼などの鋼材で製造されている。転がり軸受１０では、複数の針状ころ１５が、外輪１１と内輪１３との間で、その軸を中心軸ｍと同一の方向に向けて配置されている。
保持器１６は、薄肉の円筒形状で、ポリアミド等の樹脂材や薄肉の炭素鋼鋼板で製造される。保持器１６は、「ポケット」と呼ばれる径方向に貫通する複数の孔（図示を省略する）を備えている。ポケットは、周方向に等間隔で設けられており、針状ころ１５は、各ポケットに収容されることによって、周方向に等間隔で配置される。
なお、転がり軸受１０は、第１実施形態の他、保持器１６を備えず、針状ころ１５を周方向に近接させて配置した、いわゆる総ころ型の転がり軸受であってもよい。

次に、図３によって、転がり軸受１０の組込状態を説明する。
クランクジャーナル３２には、二分割された転がり軸受１０が、それぞれ径方向両側から組付けられて、ハウジング４４，４５の内側で一体に組み合わされている。
転がり軸受１０を組付けるときには、まず、二分割された内輪片１３ａ，１３ａが取り付けられる。各内輪片１３ａ，１３ａは、内周面１９の楕円形状の向きが、クランクジャーナル３２の外周面３６の楕円形状の向きと一致するように、それぞれ径方向外方から組み付けられる。次に、針状ころ１５及び保持器１６と組み合わされた外輪片１１ａ，１１ａが、組み付けられる。

こうしてクランクジャーナル３２の外周に組み付けられた転がり軸受１０は、エンジンブロック（図示を省略）と一体に形成された上部ハウジング４４と、オイルパン（図示を省略）側に設けられた下部ハウジング４５とで径方向に挟持されることによって、エンジンブロックに固定される。
上部ハウジング４４と下部ハウジング４５は、それぞれ半円状の内周面４６を有しており、図４のように組み合わされたとき、その内周面４６は、転がり軸受１０の外輪１１の外径よりわずかに小さい直径の単一の円筒面となっている。下部ハウジング４５と上部ハウジング４４をボルト４７，４７で締結することによって、外輪１１が、各ハウジング４４，４５の内周に、締りばめの状態で固定される。

こうして、クランクシャフト３０は、転がり軸受１０を介してエンジンブロックに取り付けられ、クランクジャーナル３２を回転軸として回転することができる。クランクシャフト３０が回転すると、針状ころ１５は、外側軌道面１２と内側軌道面１４の間で転動しつつ、中心軸ｍの周りを公転する。

次に、第１実施形態の軸受支持構造によって、内輪１３の回動を防止する作用効果について説明する。
図４は、第１実施形態の作用効果を説明する説明図であって、内輪１３が、クランクジャーナル３２の回りで回動した状態を模式的に示している。図が煩雑になるのを避けるために、図４では、内輪１３を周方向に固定し、クランクジャーナル３２の周方向の位相を変えることによって、内輪１３とクランクジャーナル３２とが相対的に回動する様子を示している。

又、図４では、内輪１３とクランクジャーナル３２とが相対的に変位する前（以下、「回動前」という）、すなわち、図３に示した状態のときのクランクジャーナル３２を破線で示し、内輪１３に対して周方向に角度θだけ変位したとき（以下、「回動後」という）のクランクジャーナル３２を実線で示している。回動前においては、図３に示したように、クランクジャーナル３２の外周と内輪１３の内周とが、全周にわたって接触している。
なお、図４では、外輪１１はハウジング等で固定されてなく、内輪１３とクランクジャーナル３２とが相対的に回動することにより、分割された転がり軸受１０が、互いに径方向に離れる向きに変位する様子を示している。

クランクジャーナル３２は、中心軸ｍと直交する向きの断面形状が楕円で、非真円形状である。これにより、中心軸ｍからクランクジャーナル３２の外周面３６までの寸法Ｌは、周方向の向きに応じて互いに異なっている。楕円の中心をＯとし、長軸方向の外周面３６上の点をＡ、周方向に角度θだけ傾いた向きの外周面３６上の点をＢとすると、中心Ｏと点Ｂとの距離Ｌｂは、中心Ｏと点Ａとの距離Ｌａより小さい。

したがって、仮に、クランクジャーナル３２が、内輪１３に対して角度θだけ相対的に回動したと仮定した場合には、回動後の外周面３６上の点Ａは、回動前の外周面３６上の点Ｂより径方向外方に位置ずれする。すなわち、図４にクロスハッチングを付した領域Ｋでは、回動後のクランクジャーナル３２の外周が、回動前のクランクジャーナル３２の外周より、径方向外方に位置するようになる。
このため、図４に示すように、外輪１１がハウジング等で固定されていない場合には、分割された転がり軸受１０は、クランクジャーナル３２に付勢されることによって、互いに径方向外方に離れる向き（図４では、上下方向である）に変位する。このとき、図４の上下方向では、内輪１３の内周面１９の径方向の寸法が増大するとともに、外輪１１の外周面１７の径方向の寸法が増大する。

しかしながら、第１実施形態では、外輪１１が、ハウジング４４，４５の内周で固定されており、径方向に変位しない。また、転がり軸受１０では、径方向のすきまは極めて小さく、針状ころ１５の内接径と内側軌道面１４の直径との差は、数１０μｍ程度である。当該直径の寸法差は、転がり軸受１０のラジアルすきまに相当する。このため、内輪１３とクランクジャーナル３２とが周方向に相対的に変位しようとすると、針状ころ１５を介して内側軌道面１４と外側軌道面１２とが直ちに当接して、内輪１３の径方向の変位が制限される。このため、内輪１３の内周面１９は、径方向の寸法がほとんど変化しないので、クランクジャーナル３２は、内輪１３に対して周方向に相対的に変位することができない。こうして、第１実施形態の軸受支持構造は、内輪１３がクランクジャーナル３２に対して周方向に回動するのを防止することができる。

又、第１実施形態では、クランクジャーナル３２の外周面３６と内輪１３の内周面１９を互いに対応する形状とし、中心軸ｍと直交する向きの断面形状を、互いに同一の楕円形状としている。このため、外周面３６と内周面１９の接触位置における中心軸ｍを中心とする曲率半径は、互いに同等である。したがって、内輪１３とクランクジャーナル３２とは周方向に広がった面で接触をするので、接触面圧を低減することができる。このため、クランクジャーナル３２の外周面３６及び内輪１３の内周面１９の摩耗を抑制することができる。

又、第１実施形態では、クランクジャーナル３２の外周面３６及び内輪１３の内周面１９を互いに嵌め合わせるだけで、内輪１３の回動を防止できるので、内輪１３の軸方向長さが制限されることがない。又、キーや、ピンを使用しないので、これらが内輪１３の外周に突出することがない。このため、第１実施形態の軸受支持構造では、内側軌道面１４の軸方向長さが制限されないので、転がり軸受１０の負荷容量が低下することがなく、良好な転がり寿命を確保することができる。更に、キー溝やピン孔等を設ける必要がないので、クランクジャーナル３２の強度を確保することができる。
又、キーや、ピンを使用しないので、部品点数を削減できるとともに、クランクジャーナル３２にキー溝やピン孔等を設ける必要がないので、機械加工工数を削減して、クランクシャフト３０を低コストで製造することができる。

以上説明したように、第１実施形態の軸受支持構造では、内輪１３が周方向に分割された分割型の転がり軸受１０を使用した場合であっても、ピンやキーなどの回り止め手段を用いることなく、内輪１３の回動を防止できる。このため、あらかじめ、内輪１３の突合せ部の向きと転がり軸受１０に作用する荷重の向きとが重ならないように組付けることにより、その組み付け状態を維持して、長期にわたって異音の発生を防止し、転がり寿命を確保できる。

なお、第１実施形態では、クランクジャーナル３２は、中心軸ｍと直交する向きの断面が楕円形状であるが、これに限定されない。図示を省略するが、例えば、中心軸ｍと直交する向きの断面が、正方形等の多角形であっても、同様の作用効果を得ることができる。

又、第１実施形態では、クランクジャーナル３２が軸方向に一様な断面を有する柱状である場合について説明した。しかし、これに限定されるものではなく、クランクジャーナル３２の、軸方向の一部において、中心軸ｍと直交する向きの断面が楕円形状であってもよい。

図５は、クランクジャーナル３２の軸方向の一部に、中心軸ｍと直交する向きの断面が楕円形状である回り止め部３７，３７が形成された実施例を示している。図５（ａ）は側面図で、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＺ−Ｚの位置における断面図である。本実施例では、回り止め部３７，３７は、クランクジャーナル３２の軸方向両端部に、互いに同軸に形成されており、軸方向の中央には、断面が円である円筒部３８が設けられている。内輪１３の内周面１９は、回り止め部３７，３７の外周に対応した形状で、中心軸ｍと直交する向きの断面は、回り止め部３７，３７と同様の楕円形状である。なお、内輪１３は、軸方向に一様な断面を有し、その内周面１９は、円筒部３８と接していない。

本実施例においても、内輪１３は周方向に二分割されており、クランクジャーナル３２が周方向に回動した場合には、内輪１３が、軸方向両側の回り止め部３７，３７によって径方向外方（図５の上下方向である）に付勢される。内輪１３は、第１実施形態と同様にして、径方向の動きが制限されているので、内輪１３がクランクジャーナル３２の外周に沿って回動するのを防止することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

１０：転がり軸受、１１：外輪、１１ａ：外輪片、１２：外側軌道面、１３：内輪、１３ａ：内輪片、１４：内側軌道面、１５：針状ころ、１６：保持器、１７：外周面、１８：鍔、１９：内周面、２０：分割面、３０：クランクシャフト、３１：ピストン、３２：クランクジャーナル、３３：クランクピン、３４：クランクアーム、３６：外周面（クランクジャーナル）、５１：内輪、５２：クランクジャーナル、５３：ピン、５４：ピン孔

Claims (2)

1. 中心軸の周りで回転する軸部材が、周方向に二分割された転がり軸受で回転自在に支持された軸受支持構造であって、
   前記軸部材は、前記転がり軸受が外嵌される嵌合部を有しており、前記嵌合部は、前記中心軸と直交する向きの断面が非真円形状であり、
   前記転がり軸受は、
   周方向で二分割されて前記嵌合部に外嵌され、外周に内側軌道面を有する内輪と、
   周方向で二分割されて前記内輪の径方向外方に固定され、内周に前記内側軌道面と同軸の外側軌道面を有する外輪と、
   前記内側軌道面と前記外側軌道面の間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備えており、
   前記内輪の内周は、前記嵌合部の外周に対応する形状で、前記中心軸と直交する向きの断面が非真円形状であり、前記内輪の径方向の変位が制限されることによって、前記軸部材に対する前記内輪の回動が防止されていることを特徴とする軸受支持構造。
2. 前記非真円形状は、楕円形状であることを特徴とする請求項１に記載する軸受支持構造。

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